一种新型溅散板馈源天线

张文涛,李明杰,曹卫平,于新华,李贝贝

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004; 2.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室,广西桂林 541004)

一种新型溅散板馈源天线

张文涛1,李明杰1,曹卫平2,于新华2,李贝贝2

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004; 2.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室,广西桂林 541004)

为了改善溅散板馈源天线中开口辐射波导的终端匹配性能并得到对称方向图,提出了一种Ku波段介质锥加载喇叭式溅散板馈源天线结构。该结构将聚四氟乙烯材料(介电常数为2.56)的介质体悬空插入圆锥喇叭内部,使介质体与空气更好地匹配。CST数值仿真结果表明,在工作频段内馈源VSWR达到1.11以下,方向图具有良好的对称性;同时,介质锥加载副反射面构成的一种新型的溅散板馈源作为代替传统卡塞格伦天线中的馈源和副反射面,省去了支撑副反射面的支杆,减小了遮挡,提高了天线效率,达到了60%以上,为工程设计提供很好的理论依据。

溅散板馈源;介质锥加载喇叭;低电压驻波比

溅散板馈源天线产生于第二次世界大战期间,属于双反射面后馈天线。相比传统的卡塞格伦、格里高利和环焦天线,溅散板馈源天线具有主反射面不需赋形,只赋形支撑介质表面和副反射面,所以既能控制天线口面的幅度分布,又能控制相位分布,实现低旁瓣的辐射场,并且溅散板馈源天线以介质作支撑,并以溅散板为副反射面,从而省去了支撑副反射面的支杆,消除支杆的遮挡,提高了天线效率,因而在卫星通信、射电天文、微波通信和遥感系统等领域得到大量应用[1-3]。但现有的溅散板馈源开口辐射波导的终端匹配不理想,造成电压驻波比较高。为了改善馈源的电压驻波比,文献[4]提出了一款支撑介质为阶梯状的溅散板馈源,电压驻波比小,但是溅散板介质形状复杂,不利于批量加工生产。文献[5-6]提出了一款用低介电常数的聚乙烯泡沫作为支撑介质的溅散板馈源,电压驻波比低,但泡沫在工程加工中很容易损坏或变形,导致天线性能变差。为此,提出了一种介质锥加载喇叭式溅散板馈源天线结构,不仅具有电压驻波比低、辐射方向图等化性能良好等优点,且易加工、成本低、性能稳定。

1 溅散板馈源天线的理论分析

1.1 溅散板馈源

研究一种可替代波纹喇叭的混合模介质加载圆锥喇叭,溅散板馈源结构如图1所示。其由填充2层介质的圆锥金属壁喇叭组成,且内层介质的介电常数(εr1=2.56)大于外层介质的介电常数(εr2为空气的介电常数)。

图1 溅散板馈源结构Fig.1 The structure of splashplate feed

为了得到与波纹喇叭[7]同样性能的馈源,介质加载圆锥喇叭内部电磁场必须达到平衡混合模的条件,使得介质加载圆锥喇叭内部传输HE11混合模式。

首先,根据波纹喇叭的场分析可得混合模介质加载圆锥喇叭的特征方程[8],

其次,喇叭内部介质层之间的壁阻抗为:

为了得到混合模条件下介质喇叭的尺寸,将式(2)、(3)代入平衡混合条件:

并化简得平衡混合条件方程为:

联立式(1)和(4)可求出满足平衡混合模条件时介质的厚度t和akc1[9]。在平衡混合模的条件下,介质层厚度t的设计准则为

其中:εr=εr1/εr2;λ0为工作波长。介质半张角α需小于介质材料临界角的补角θs,

θs=cos-1[1/(εr1)0.5],α∈(0.5θs,0.7θs)。

根据以上理论分析,计算得到混合模介质加载圆锥喇叭结构,并通过CST仿真分析,得到如图2所示的结果。分析表明,混合模介质加载圆锥喇叭具有对称的方向图和低的副瓣。

图2 溅散板馈源辐射方向图Fig.2 The radiation pattern of splashplate feed

1.2 副反射面

溅散板馈源天线中副反射面是在介质的底端挖去一定的形状并喷涂金属形成的。如同其他双反射面天线一样,溅散板馈源天线的设计不仅要考虑能量守恒方程、反射方程和等相位方程,且由于溅散板馈源引入了介质,还需考虑折射方程。溅散板馈源天线几何光学原理如图3所示。

1)能量守恒方程

其中:Fθ()为初级馈源的轴对称辐射功率立体角分布函数;I( x)为天线主抛物面上的口面功率分布函数。

图3 溅散板馈源天线原理Fig.3 The theory of splashplate feed antenna

2)副面上任一点的反射方程可表示为

3)等相位方程

4)折射方程

其中R=AE。

联立式(7)、(8)、(9)和(10)可确定以θ为参数的v、ψ、R和δ的值,再结合几何光学原理可最终确定副反射面的形状[10]。

2 结构分析

图4 溅散板馈源加载副反射面结构Fig.4 The structure of splashplate feed and subreflector

根据理论分析计算,设计的新型溅散板馈源结构如图4所示。

1)馈源。结构如图4中S1和S2所示。馈电波导S1采用TE11模激励,喇叭S2口面半径r2=20 mm,高度h2=113 mm;电介质S4底部半径r3=36 mm,高度h3=231 mm。为了在工程中实现设计的馈源结构,在电介质S4和喇叭S2之间填充了支撑介质S3,且为了减小介质S3对波导匹配的影响,用于介质和喇叭之间的支撑介质呈脊状分布。

2)溅散板。结构如图4中S5和S6所示。为了同时兼顾方向图和驻波比,溅散板由2部分组成:a)圆台面,其作用使次级方向图达到要求的照射角度; b)锥面,其作用是反射来自馈源的波束,使其改变反射路径,避免波束反射回馈源,达到改善驻波比的目的。圆台面S5底部半径与电介质S4的底部半径r3一致,顶部半径r4=10 mm,高度h4=23 mm,锥面S6底部半径与削顶锥面S5顶部半径r4一致,高度h5=5 mm,锥角取值为120°～160°。

3 仿真分析

溅散板馈源天线工作于Ku波段,工作频率为17.2～18.2 GHz,所使用的仿真软件是基于有限积分数值算法的数值仿真软件CST 2009。仿真频率是低频17.2 GHz、中频17.7 GHz和高频18.2 GHz三个频点。测量平面分别是φ=0°、φ=90°。

3.1 溅散板馈源加载副反射面仿真分析

用CST仿真优化后得到的仿真结果如图5、图6和图7所示。从图5、6可见,溅散板馈源达到如下指标:

1)工作频带内电压驻波比达到1.11以下;

2)馈源方向图等化良好(照射角内),且半张角77°时能量衰减到-10 d B以下,能量绝大部分可被照射到反射面上。

图5 电压驻波比仿真曲线Fig.5 The simulation curve of voltage standing wave ratio

图6 溅散板馈源加载副反射面辐射方向图Fig.6 The radiation pattern of splashplate feed and subreflector

3.2 天线系统仿真

溅散板馈源天线系统基于CST 2009的仿真模型如图8所示,主反射面是旋转对称抛物面,其口径为610 mm,天线的焦径比采用工程上常用的0.325。通过仿真优化使得天线达到较高的增益,最终确定天线的焦距为210 mm。

图7 溅散板馈天线辐射方向图Fig.7 The radiation pattern of splashplate feed antenna

从图7可见,溅散板馈源天线达到如下指标:

1)天线方向图E面和H面等化良好;

2)工作频带内天线增益达到38.9 d B以上;

3)工作频带内天线效率达到60%以上。

图8 溅散板馈源天线系统模型Fig.8 The system model of splashplate feed antenna

4 结束语

设计中心频率为17.7 GHz的溅散板馈源型抛物面天线,提出了一种新型溅散板馈源结构:采用电介质悬空加载到圆锥喇叭内部,紧靠脊状介质支撑在喇叭内壁面和介质表面之间,达到改善驻波比的目的,同时将溅散板馈源应用在抛物面天线中。通过仿真分析,验证了设计的合理性,表明该天线具有旋转对称的方向图、高增益以及良好的匹配特性,且加工难度小,可为工程设计提供很好的理论依据。

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编辑:梁王欢

Design of a new type splash plate feed antenna

Zhang Wentao1,Li Mingjie1,Cao Weiping2,Yu Xinhua2,Li Beibei2
(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

A splashplate feed antenna structure with dielectric-cone loaded horn in Ku band is proposed,in which not only the terminal match property of open radiation waveguide in the splashplate feed antenna can be improved but also the symmetrical patterns can be obtained.In this structure dielectric made of Teflon(εr1=2.56)is inserted without touch into the inside of the conical horn to make better match between the air and the dielectric.The CST simulation results show VSWR＜1.11 in the work band and the pattern is symmetrical.Replacing the feed and sub-reflector in conventional Cassegrain antenna with the novel splashplate feed antenna with dielectric-cone loaded sub-reflector has many advantages,such as omitting support legs,reducing the shield,improving the efficiency up to 60%.It can provide correlative theory basis for engineering design.

splashplate feed;dielectric-cone load horn;low VSWR

TN926+.4

A

1673-808X(2015)02-0093-05

2014-12-26

国家自然科学基金(61361005);广西自然科学基金(2012GXNSFAA053233,2013GXNSFDA019002,2014GXNSFGA118003);广西科学研究与技术开发计划(1346010-5);桂林市科学研究与技术开发计划(20130122-1,20140127-1);广西教育厅科研项目(ZD2014057);桂林电子科技大学研究生教育创新计划(GDYCSZ201459)

曹卫平(1971-),男,湖南益阳人,教授,博士,研究方向为射频和天线技术。E-mail:weipingc@163.com

张文涛,李明杰,曹卫平,等.一种新型溅散板馈源天线[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(2):93-97.